“九章”問世，量子計算了解一波

2020年年尾，中國又增加了一項量子計算的重大成果——量子計算機“九章”問世。這臺量子計算機是由中國科學技術(shù)大學的潘建偉、陸朝陽等人構(gòu)建，據(jù)媒體報道，它是一臺76個光子100個模式的量子計算機，它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機“富岳”快一百萬億倍。也就是說，超級計算機需要一億年完成的任務，“九章”只需一分鐘。同時，“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個超導比特量子計算機原型機“懸鈴木”快一百億倍。今天我們就來更深入了解一下“九章”量子計算機。

量子計算機為何取名“九章”。九章有幾種解釋，首先會想到的是戰(zhàn)國時期大詩人屈原的《九章》名篇。其次，“章”在古代也有圖案的意思，比如帝王冕服上的九種圖案，行軍打仗時指揮軍隊行進的九種旗章。顯然這些與量子計算機沒有關(guān)系。“九章”在古代也有九疇的意思，傳說是天帝賜給大禹治理天下的九類大法，也就是《洛書》。洛書，是一種關(guān)于天地空間變化脈絡圖案。它是以黑點與白點為基本要素，以一定方式構(gòu)成若干不同組合，并整體上排列成矩陣的圖式，以此矩陣建構(gòu)出宇宙時空合一，萬物生成演化運行模式。另外，古時候有一部影響深遠的數(shù)學專著《九章算術(shù)》。這些應該就是以“九章”命名量子計算機的原因。

量子不是指特定的某種粒子，而是具有量子效應的分子、原子、電子、光子等微觀粒子。即一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。量子這一概念最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出。量子效應包括能量的不連續(xù)、位置不確定、狀態(tài)疊加、干涉、糾纏等。因為主要表現(xiàn)在微觀物理世界，與牛頓經(jīng)典力學描述世界完全不同，因此將研究微觀物理世界的物理理論稱為量子物理學�？偨Y(jié)來說，量子物理學是研究微觀粒子運動規(guī)律的學科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本理論。

量子計算機是用量子力學的疊加性原理制造的計算機。量子疊加指一個量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論描述的就是這種疊加態(tài)——“一只貓可以同時既是活的又是死的”。

具體來說，與普通計算機相比，普通計算機是將信息轉(zhuǎn)化為0和1，每個比特(計算機中信息量最小單位)要么是0，要么是1，再將他們進行傳輸、運算與存儲。而量子計算，則是利用量子天然具備的疊加性，0和1同時存在，就意味著很多個任務可以同時完成，因此具有超越計算機的運算能力。

據(jù)介紹，“九章”量子計算機利用的是光子的量子效應，其構(gòu)成有兩大部分，一是由量子光源、量子干涉、單光子探測器等組成的光路，二是接收裝置。

“九章”的成果，就是實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，或者說實現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。量子霸權(quán)是指量子計算機在某個問題上遠遠超過現(xiàn)有的計算機。據(jù)介紹，九章處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機快一百萬億倍。在這一點上，“九章”量子計算機不愧是“一個最先進的實驗”“一個重大成就”(《科學》雜志審稿人評價)。

【例1·單選】2020年12月4日媒體報道，中國科學技術(shù)大學的潘建偉、陸朝陽等人構(gòu)建了一臺76個光子100個模式的量子計算機，命名為( )

A. 天問

B. 九歌

C. 九問

D. 九章

【答案】D

【解析】本題考查時事熱點。2020年12月4日，中國科學技術(shù)大學宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個光子的量子計算原型機“九章”，求解數(shù)學算法高斯玻色取樣只需200秒。故本題選擇D。

【例2·多選】量子是指( )

A. 一種物理狀態(tài)

B. 一種特殊粒子

C. 一種基本單位

D. 一種物理量

【答案】CD

【解析】本題考查物理學知識。現(xiàn)代物理理論中，一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子。所以，量子是一種量子化的物理量，是這種物理量的基本單位。故本題選擇CD。

【例3·單選】目前，量子計算利用的是哪種量子力學原理?( )

A. 量子疊加

B. 量子糾纏

C. 量子干涉

D. 以上都有

【答案】A

【解析】本題考查科技成就。量子計算是利用量子天然具備的疊加性，施展并行計算的能力。故本題選擇A。